上肢康復機器人在腦卒中的臨床應用進展

李宇淇，曾慶，黃國志

南方醫科大學珠江醫院康復醫學科，廣東廣州市 510280

腦卒中是目前導致肢體功能障礙的主要原因[1]，約80%腦卒中患者出現上肢偏癱，其中只有1/3 偏癱上肢可恢復功能[2]。腦卒中后上肢偏癱主要表現為偏癱側肌無力、痙攣、協調性差和失用[2]。目前偏癱上肢康復訓練主要由治療師指導完成，訓練效果受到治療師水平、訓練強度等影響[3]，且訓練中不能即時反饋訓練效果，訓練后缺乏客觀評估數據。對腦卒中后患者進行重復刺激訓練和一定強度的特定任務訓練，能促進神經可塑性，提高運動功能[4]。上肢康復機器人具有無疲勞、定量化、個體化的優點，一方面可提供大劑量、高重復運動訓練[5]，另一方面可提供客觀即時的訓練數據和評估數據[6]。盡管機器人的治療效果仍有爭論，但機器人輔助康復治療已經成為腦卒中后肢體功能康復的有效方案[7]。

1 上肢康復機器人的發展和理論基礎

自20 世紀90 年代MIT-Manus 問世以來，上肢康復機器人不斷改進并蓬勃發展，目前比較具有代表性的機器人有Lum PS、MIMEA(包括三代)、MIT-Manus、RM-Guide 機器人、上肢外骨骼康復機器人ARMin[8]、清華大學復合運動康復機器人等。隨著科技進步，上肢機器人結構和功能漸趨復雜。首先，關節由1 個自由度發展到多個自由度，訓練模式由單一向多種模式發展。其次，上肢機器人逐步智能化。最初只是單純提供助力運動，現在則可結合虛擬現實、力反饋等技術；還可在進行運動訓練同時，自動化評估、智能反饋訓練結果等。最后，機器人輔助訓練能結合多種物理因子和輔助設備進行運動訓練。

上肢康復機器人的康復機制尚未明確。部分學者認為是基于神經可塑性原理。神經可塑性是指神經系統通過改變結構和/或功能，適應內外環境變化的能力[9]，可以表現在分子、突觸、神經元等層面，也可以表現在半球內或半球間[10]。上肢機器人可能通過促進偏癱上肢的重復、漸進訓練和運動學習，促進中樞神經的代償和重組[11]。已有部分臨床研究和少量基礎研究證實這一假說[12]。機器人輔助治療通過增加本體感覺輸入，可促進神經可塑性。如使用外骨骼機器人做手指游戲運動訓練，功能磁共振可觀察到大腦半球軀體感覺皮質不對稱激活[13]；在運動任務存在輔助反饋時，皮質區之間的功能連接(相干性)增加[14]。國外有人提出一種模仿人類上肢康復機器人系統的M 平臺[15]，可結合多種先進技術，進一步研究腦卒中后神經可塑性機制。

盡管目前上肢機器人輔助治療機制尚未完全明確，有待全面研究[16]，但大量臨床隨機試驗證明，上肢康復機器人對偏癱上肢恢復有效。

2 上肢康復機器人的分類和訓練模式

基于機械結構類型，上肢康復機器人大致可分為兩大類：上肢末端執行器和上肢外骨骼機器人[17]。上肢末端執行器指設備只與上肢的末端(手和/或腕)接觸，通過末端帶動近端運動。上肢外骨骼機器人則以復雜的機械結構，模擬人的上肢結構，可以單獨或同時控制上肢的一個或多個關節[18]。上肢末端執行器的主要優點為設備結構較為簡單、安裝方便，主要缺點為缺乏對近端的控制，可能誘導偏癱肢體出現異常代償運動模式。上肢外骨骼機器人的優點是直接控制各個關節運動，可減少異常的姿勢或運動，但結構復雜，設備較為昂貴[15]。

根據訓練的部位不同，上肢康復機器人又可分為手部康復機器人、腕手康復機器人、肩肘部康復機器人。根據功能，可分為功能性電刺激輔助上肢康復機器人、虛擬現實技術上肢康復機器人、基于表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)上肢康復機器人、腦機接口(brain-computer interface,BCI)上肢康復訓練機器人[19]。

在臨床訓練過程中，上肢康復機器人主要提供4 種運動訓練模式：主動運動、輔助運動、被動運動和抗阻運動[20]。主動運動訓練不提供力支持，上肢康復機器人僅為一種測量裝置。當受訓者不能積極執行相關訓練任務時，上肢康復機器人將提供一定輔助，幫助完成訓練。當受訓者完全無自主活動時，上肢康復機器人提供完全的輔助。當受訓者可主動運動后，上肢康復機器人可提供阻力訓練[2]。臨床可根據患者的具體情況，選擇合理的訓練模式。

3 上肢康復機器人在腦卒中后上肢功能障礙康復中的應用

Basteris 等[2]的Meta 分析顯示，上肢康復機器人訓練后，超過1/2 急性期和慢性期腦卒中患者上肢運動功能改善，超過1/3患者日常生活活動能力提高；亞急性期患者只納入3組，其中2 組上肢功能和活動能力改善。目前缺乏高質量的臨床隨機對照試驗表明上肢康復機器人較傳統的物理治療更為有效[21]。

3.1 運動功能

腦卒中后上肢功能障礙主要表現為上肢無力、痙攣和運動不協調。上肢康復機器人廣泛應用于腦卒中后各期患者，對腦卒中患者進行高度重復性、功能性和針對性的任務導向性康復治療[22]，提高上肢運動功能。

上肢康復機器人對各期腦卒中運動功能均有改善，主要改善偏癱側上肢肩肘部力量、速度和運動控制協調等功能，對腕手運動功能改善較小。Volpe 等[23]的臨床隨機試驗表明，急性腦卒中患者接受上肢康復機器人訓練后，肩部和肘部運動功能提高較為明顯。亞急性期腦卒中患者使用肩肘部康復機器人訓練平均3 周后，受試者多項運動功能評分總體提高，以肩肘部改善明顯，遠端功能也有一定改善[4]。慢性期患者使用上肢康復機器人可改善肩肘部功能，包括運動協調、運動速度、力量等，但腕部功能改善較小[7]。一項觀察性隊列研究比較強制運動誘導療法、上肢機器人輔助治療和鏡像療法的治療效果，結果顯示，上肢Fugl-Meyer 評定量表(Fugl-Meyer Assessment,FMA)評分＜30 分的慢性腦卒中患者，更適合使用上肢康復機器人治療或強制運動誘導治療[24]。Veerbeek 等[25]的Meta 分析顯示，上肢康復機器人訓練可普遍改善腦卒中后偏癱患者的運動控制。

腕手訓練康復機器人可提高腕手的靈巧度[26]，提高握力，改善手指協調性。一項多中心隨機試驗顯示[21]，穿戴上肢康復機器人可以改善亞急性期腦卒中患者的手指靈巧度和握力。另一項臨床隨機對照試驗顯示[27]，其對慢性期腦卒中患者手功能改善也有作用，主要改善手部運動控制。更高強度的機器人訓練可有效提高腕手運動功能[28]。

3.2 肌張力

上肢機器人對于腦卒中后患者肌張力的影響仍有爭議。一項多中心隨機對照試驗表明[29]，使用上肢康復機器人對腦卒中后偏癱患者進行上肢功能訓練，偏癱側上肢異常增高的肌張力較治療前降低，同時也能改善功能障礙和疼痛，但相比傳統康復療效無明顯優勢。另一項臨床試驗表明[30]，肌電介導的上肢康復機器人能降低腦卒中慢性期患者肌張力，并進一步改善手部的運動協調能力。

但Caimmi等[7]的臨床隨機對照試驗顯示，慢性期腦卒中患者接受上肢康復機器人訓練后，偏癱上肢異常增高的肌張力無明顯降低。Meta分析顯示[25]，上肢康復機器人訓練甚至會引起上肢肌張力增高。

可見上肢康復機器人對偏癱上肢肌張力的影響仍有爭論。可能的原因有：①納入標準不同，導致各期患者差異大，而不同時期患者的神經可塑性不同[25]，恢復能力不同，導致結果不同；②納入患者運動功能損傷程度不同，肌張力障礙程度不同；③治療師對肌張力評估標準可能不一致。

3.3 日常生活活動能力

上肢機器人治療可以提高運動功能和上肢力量，但是上肢功能的提高并沒有使患者日常生活能力得到提高[2]。Mehrholz等[31]的Meta分析顯示，上肢康復機器人可改善急性期和亞急性期腦卒中患者的日常生活能力。張超等[32]的臨床試驗顯示，上肢康復機器人能有效改善急性期腦卒中上肢偏癱患者的上肢功能，但對慢性期腦卒中患者日常生活能力無明顯改善。Kwakkel 等[33]的系統綜述顯示，上肢機器人訓練組治療前后，腦卒中患者日常生活能力未見明顯改善。

可能的原因如下。①腦卒中患者日常生活能力提高較少，量表測量無法體現。一些研究觀察到上肢機器人訓練后，患者自我照料能力有所提高，但沒有體現在量表測評中[34]。②上肢康復機器人注重單關節訓練，將近端和遠端關節訓練結合可能效果更好[2]。③上肢機器人訓練任務中缺乏日常生活能力訓練任務，或任務不適用于提高日常生活能力[35]。

4 上肢康復機器人與其他療法的聯合治療

機器人輔助訓練可與多種治療方法相結合。上肢機器人結合近端神經肌肉電刺激可改善近端關節活動度和FMA 評分[36]；功能性電刺激與機器人結合的混合型機器人治療可改善上肢運動功能[37]。機器人結合低頻經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)可改善腦卒中患者單側忽略，但與單純TMS治療和單純機器人治療相比，無顯著性差異[38]。既往認為，機器人輔助訓練與經顱直流電刺激結合，能改善對亞急性期和慢性期患者上肢運動功能和日常生活能力，但對多數患者來說，經顱直流電刺激是一種不適的體驗[39]。肉毒毒素注射于痙攣部位可降低肌張力，而機器人輔助訓練則可提高肌力，兩者結合可提高慢性期腦卒中患者運動功能[40]。單獨迷走神經電刺激對腦卒中后上肢偏癱無效，但如結合上肢康復機器人，則可改善慢性期患者的上肢功能，原因可能是迷走神經電刺激增加神經可塑性，恢復相關神經遞質水平[41]，從而增強上肢機器人運動訓練效果。榮積峰等[42]將常規康復治療與上肢康復機器人結合鏡像療法進行對比，發現后者可以更有效提高腦卒中患者上肢運動功能。

總之，上肢康復機器人可與多種康復方法相結合。既往研究顯示，上肢康復機器人與功能性電刺激、肉毒毒素注射結合，能更有效提高上肢功能。但需更多臨床試驗證明其有效性。

5 小結

機器人輔助治療主要是以任務為導向，進行高強度、重復的康復訓練，并增加聽覺互動和觸覺反饋，可量化反饋訓練效果。上肢康復機器人主要優點如下。①機器人可根據評估結果提供精準的訓練方式，可遠程監控且訓練過程無疲勞[43]。②安全性良好[44]。一項納入44 項臨床隨機對照試驗的Meta 分析顯示[25]，上肢機器人輔助治療無不良事件發生。③機器人輔助訓練可提供準確運動學參數[45]，量化感覺運動輸入，使訓練運動劑量可控[23]，同時也為制定和調整康復計劃提供客觀信息[4]。④機器人可以提供多種反饋，如力反饋、位置反饋、視覺反饋和聽覺反饋等，這些反饋是客觀的。⑤有豐富的游戲任務訓練[25]，增加訓練的趣味性。

但上肢機器人訓練也存在一些缺點。①目前機器人治療不具有整體性，只針對具體部位[46]，如肩肘部、手腕部等。②上肢機器人輔助訓練可能誘導代償運動，對糾正患者代償模式存在一定困難。③機器人沒有同理心[46]，而康復治療不能僅是單純治療，還需要對患者進行人文關懷。康復機器人還需要進一步研發和改良，完善其功能。

在上肢機器人臨床應用研究方面，目前還存在以下不足。①目前的臨床試驗證據質量較低，樣本量較少。②目前有部分研究顯示對腦卒中后單側忽略、認知功能等有一定改善作用[23,47]，但此方面研究較少。③特定種類機器人對腦卒中后上肢功能障礙患者的療效優勢研究不足。目前已有部分研究顯示，神經肌肉電刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)機器人較非NMES機器人療效更好[30]。④上肢康復機器人最佳治療時間、頻率、強度仍無統一標準。⑤上肢康復機器人的作用機制仍不清楚。

未來需要設計良好、大樣本、多中心臨床研究，評估上肢機器人對腦卒中后患者上肢功能的療效[31]。更多開展機器人對認知障礙、偏側忽略等功能障礙的研究。隨著各種特定種類上肢機器人數量增加，需要更多臨床試驗數據支持其在康復中應用的利弊，并探索其未來發展的趨勢。需要進一步研究康復機器人作用時間、頻率、強度，為機器人實際應用提供可靠依據。進一步研究其作用機制。